Расчёт Высотного здания на комплекс нагрузок

Семён Варфоломеев. ООО "Инфорспроект"

  В этой статье рассказывается о расчете высотного здания с применением ПК SOFiSTiK в рамках дипломной работы, выполненной по завершению обучения в МГСУ на факультете ПГС специализация Теория сооружений (кафедра Строительной механики).

  В дипломной работе рассматривается здание Многофункционального комплекса.

  Работа выполнена на основании материалов стадии «Проект», предоставленных ООО «Инфорспроект».

1. Описание здания

Рис. 1. Визуализация

  Наземная часть здания состоит из 3-х секций, отделенных друг от друга деформационными швами: центральная часть – Башня – имеет 48 наземных этажей и высоту 160 м; боковые части – Крылья – по 39 этажей и высотой 132 м.

  Подземная часть включает в себя 4 этажа паркинга.

  Фундамент – железобетонная монолитная плита переменной толщины (от 2,5 м до 0,8 м) на естественном основании.

  Здание решено в монолитном железобетонном связевом каркасе.

  Особенностью несущей системы Башни является то, что ядро жесткости смещено в плане из центра к периферии.

Рис. 2. План типового этаж

2. Параметры расчётной модели

  Материалы:

• для горизонтальных конструкций (плит перекрытий и покрытий) – бетон В40, арматура А500С;  

• для вертикальных конструкций (стен, пилонов и колонн) – бетон В60 и В40, арматура А500С.

Рис. 3. Сверху – схема фундаментной плиты с 

толщинами (м); Снизу – разбивка фундаментной 

плиты на участки и значения коэффициентов 

постели C_1z  для данных участков (кН/м³).

  Расчетная модель создавалась в препроцессоре SOFiPLUS при помощи структурных элементов.

  Для моделирования отпора грунта основания фундаментная плита была разбита на 10 участков, каждому из которых был задан свой коэффициент постели.

  Все конструкции были созданы с использованием пластинчатых четырехугольных и стержневых элементов. Шаг триангуляции при разбиении на КЭ принят равным 2 м.

  Для расчетов было создано 2 модели:

  1 модель. Для расчета на основные комбинации нагрузок. В этой модели начальный модуль упругости бетона использовался с понижающими коэффициентами: 0,6 - для сжатых элементов, 0,3 - для изгибаемых элементов.

  2 модель. Для расчета на ветровое воздействие, а также выполнения модального анализа. Здесь начальный модуль упругости бетона снижался с помощью коэффициента 0,85, который учитывает явление кратковременной ползучести. Жесткость основания повышена в 8 раз.

Рис. 4. Вид конечно-элементной модели. Цветом показаны различные материалы- бетон В60 и В40

  3. Расчет высотного здания

  Было создано несколько загружений, которые соответствуют постоянной, длительной и кратковременной нагрузкам согласно СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». Задавались нормативные значения нагрузок.

  По контурам плит перекрытий (покрытий) были созданы фиктивные балки (No Cross Section), с помощью которых задавалась линейная нагрузка от фасадных конструкций.

Рис.5. Окно формирования РСН

  Ветровая нагрузка определялась "вручную", в том числе и пульсационная составляющая. Полученное таким образом квазистатическое ветровое давление прикладывалось как линейная нагрузка к плитам перекрытий (покрытий) посредством тех же фиктивных балок.

  Усилия и напряжения находились от РСУ, а прогибы и перемещения - от РСН. Расчет проводился в линейной постановке при помощи модуля ASE.

Рис. 6. Перемещение от РСН при действии ветра в четырёх различных направлениях

Рис. 7. Конвертирование нагрузок в массы
при выполнении модельного анализа. 

  Кроме того, был проведен модальный анализ. При его выполнении учитывалась только постоянная и длительная часть временной нагрузки.

  Согласно СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия»

  Расчет на собственные частоты и колебания выполнялся модулем DYNA.

  Был выполнен расчет по подбору армирования в плите перекрытия.

Рис. 8. Схема нагружения пролётов отдельными загружениями

  Для того чтобы учесть переменный характер временной нагрузки, плита разбивалась на некоторое количество частей по пролетам (см. схему на Рис. 8), создавалось несколько нагрузок, и на каждом пролете назначалась соответствующая кратковременная нагрузка. Таким образом, проведя расчет на РСУ, можно моделируется поэтапность загружения пролетов плиты перекрытия, то есть рассмотреть наихудший вариант.

  Реализация такого способа существенно сказывается на увеличении армирования плиты.

Рис. 9 .  Результаты тестирования описанной схемы - деформированная схема:
а) вся плита загружена равномерной нагрузкой;
б) на каждый элемент действует своё загружение

Рис. 10. Результаты тестирования описанной схемы - изополя армирования в двух схемах:
слева - вся плита загружена равномерной нагрузкой;
справа - на каждый пролёт действует своё загружение.

Рис. 11. Сверху - конечно-элементная схема типовой плиты перекрытия, снизу - изополя армирования; нижняя арматура в направлении Х; фоновая арматура - Ø12, шаг 200 (отключена)

Семён Варфоломеев. ООО "Инфорспроект"